i
Sara Rebeca Hassam Carmali
Licenciada em Ciências de Engenharia Civil
Aplicação de BIM a Infraestruturas Ferroviárias.
Controlo da qualidade na construção
Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em
Engenharia Civil
–
Perfil de Estruturas
Orientadora: Doutora Maria João Falcão da Silva, Investigadora Auxiliar, LNEC
Coorientadora: Doutora Simona Fontul, Professora Auxiliar Convidada, FCT-UNL
Júri:
Presidente: Doutor Fernando M. A. Henriques, Professor Catedrático, Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de
Lisboa
Arguentes: Doutora Zuzana Dimitrovová, Professora Auxiliar, Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de
Lisboa
Vogais: Doutora Simona Fontul, Professora Auxiliar,
Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa
Aplicação de BIM a Infraestruturas Ferroviárias. Controlo da qualidade na construção
Copyright © Sara Rebeca Hassam Carmali, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade Nova de Lisboa.
À minha família.
Agradecimentos
A dissertação de mestrado é um importante marco no percurso académico de um aluno, sendo o reflexo de um crescimento pessoal ao longo de uma jornada de 5 anos. As palavras ga-nham um novo sentido quando se tornam imprevisíveis, gaga-nham uma nova vida quando inquie-tam o pensamento, mas há momentos, como este, em que nos sentimos desassossegados com as palavras porque se tornam insuficientes para dizer com elas o que queremos. Assim, ciente da limitação das palavras, aproveito para expressar os meus sinceros agradecimentos a todos aque-les que me acompanharam e que, de alguma forma, contribuíram com o seu saber científico e/ou dedicação pessoal para a concretização deste trabalho:
- Ao Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC) que, pela atribuição de um aco-lhimento possibilitou a realização e a divulgação deste trabalho. Aos seus funcionários, pela simpatia e recetividade.
- À Professora Doutora Simona Fontul, agradeço o apoio, empenho e paciência demons-trados ao longo do desenvolvimento desta dissertação, revelando-se preponderantes no resulta-do final. Também agradeço a constante supervisão e a partilha de conhecimento e experiência na área de infraestruturas ferroviárias, bem como a disponibilização de bibliografia fulcral para a correta validação dos elementos citados na presente dissertação.
- À Doutora Maria João Falcão e à Doutora Paula Couto, expresso a minha gratidão pelos seus conhecimentos transmitidos acerca da metodologia BIM. As suas sugestões e críticas cons-trutivas acerca do trabalho desenvolvido foram importantes contribuições para a presente disser-tação.
- Ao colega e amigo Vasco, presto o meu reconhecimento pela paciência e disponibilida-de conferidas no processo disponibilida-de adaptação ao software Autodisponibilida-desk® Revit®, cuja constante troca disponibilida-de ideias foi imprescindível para a concretização da modelação.
- A todos os meus colegas e amigos pela amizade, motivação e apoio transmitidos não apenas nos bons momentos, mas também nos mais complicados.
Resumo
O Building Information Modelling (BIM) é uma metodologia que serve para toda a indús-tria AECO (arquitetura, engenharia, construção e operação) e, como tal, permite a representação das características estruturais e funcionais de uma construção, incluindo atividades, entre outras informações. A característica principal do BIM é o sistema de modelação tridimensional que inclui a gestão, partilha e troca de dados durante todo o ciclo de vida de uma construção, onde cada elemento ou objeto possui informação sobre os seus dados físicos. A metodologia BIM permite conduzir a uma melhor coordenação e colaboração entre os intervenientes no projeto possibilitando o acesso, em simultâneo e em tempo real, ao modelo BIM, possibilitando uma rápida deteção de conflitos entre componentes e, como consequência, uma diminuição de cus-tos. No fundo, o BIM pretende dar um impulso favorável no sentido de padronizar a informação e facilitar a comunicação, partilhando e integrando eficazmente os intervenientes no processo construtivo.
No âmbito da avaliação da capacidade de carga de infraestruturas ferroviárias e da respe-tiva vida útil, procura-se identificar quais as contribuições dos ensaios não destrutivos para o controlo da qualidade durante a construção de vias-férreas e executa-se uma retroanálise com recurso ao software BISAR 3. Os ensaios de carga não destrutivos possibilitam o estabeleci-mento de modelos de comportaestabeleci-mento estrutural. Neste sentido, deseja-se desenvolver uma me-todologia mais expedita com base nos ensaios realizados in situ por forma a otimizar a análise estrutural das vias-férreas, constituindo assim uma alternativa para o controlo da qualidade.
No que respeita às infraestruturas ferroviárias, pretende-se avaliar a aplicabilidade prática do conceito BIM na modelação estrutural e controlo da qualidade de uma via-férrea durante a construção. Com a metodologia BIM deseja-se demonstrar que esta pode ser implementada no sistema de gestão e monitorização de infraestruturas ferroviárias, possibilitando o registo das suas características físicas e geométricas, bem como os dados da medição da via, permitindo um controlo de qualidade da via-férrea após a construção, isto é, ao longo da sua vida útil.
Abstract
Building Information Modelling (BIM) is a methodology that is suitable for the entire AECO industry (Architecture, Engineering, Construction and Operation) and, therefore, allows the representation of the structural and functional characteristics of a construction, including activities, among other information. The main feature of BIM is the three-dimensional modeling system that includes the management, sharing and exchanging data across the entire life cycle of a structure, where each element or object has information of its physical data. The BIM methodology allows for better coordination and collaboration between the participants of the project, enabling simultaneous and real-time access, a quick detection of conflicts between components and consequently a reduction of the costs. Having said this, BIM intends to give a favorable impulse in order to standardize information and facilitate communication, effectively sharing and integrating the participants in the constructive process.
When it comes to the evaluation of the railway infrastructures’ capacity and their useful life, it is sought to identify the contributions of the non-destructive tests to the quality control during the construction of railways and to carry out a retroanalysis using BISAR 3 software. Non-destructive load tests allow the establishment of structural behavior models. In this sense, it is desired to develop a more expeditious methodology based on the tests carried out in situ in order to optimize the structural analysis of the railways, thus constituting an alternative for qual-ity control.
Regarding the railway infrastructures, it is intended to assess the practical applicability of the BIM concept in the modelling and quality control of a railroad during construction. With the BIM methodology, it is desired to demonstrate that this can be implemented in the system that manages and monitors railway infrastructures, allowing the recording of its physical and geo-metric characteristics, as well as the measurement data of the track, enabling a quality control of the railroad after construction, that is, along its useful life.
Índice de Texto
1. INTRODUÇÃO ... 1
1.1.ENQUADRAMENTO E ÂMBITO ... 1
1.2.OBJETIVOS E METODOLOGIA ... 2
1.3.ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO ... 3
2. INFRAESTRUTURAS FERROVIÁRIAS ... 5
2.1.CONSIDERAÇÕES INICIAIS ... 5
2.2.CONSTITUIÇÃO DA VIA-FÉRREA BALASTRADA ... 6
2.2.1.CARRIL ... 7
2.2.2.SISTEMA DE FIXAÇÃO ... 7
2.2.3.PALMILHAS ... 7
2.2.4.TRAVESSAS ... 8
2.2.5.CAMADA DE BALASTRO ... 9
2.2.6.CAMADA DE SUB-BALASTRO ... 10
2.2.7.PLATAFORMA DE FUNDAÇÃO ... 10
2.3.REQUISITOS DE PROJETO ... 10
2.3.1.CAMADA DE BALASTRO ... 11
2.3.2.CAMADA DE SUB-BALASTRO ... 14
2.3.3.PLATAFORMA DE FUNDAÇÃO ... 15
2.3.4.SOLICITAÇÕES DA VIA ... 17
2.4.ENSAIOS PARA AVALIAÇÃO DA VIA-FÉRREA DURANTE A CONSTRUÇÃO ... 19
2.4.1.ENSAIO DE CARGA ESTÁTICA COM PLACA ... 21
2.4.2.DEFLETÓMETRO DE IMPACTO ... 23
2.4.3.DEFLETÓMETRO DE IMPACTO PORTÁTIL ... 27
2.4.4.MEDIDOR DE CAPACIDADE DE SUPORTE EM CONTÍNUO ... 29
2.4.5.ENSAIOS COMPLEMENTARES ... 30
2.5.CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 31
3. METODOLOGIA BIM ... 32
3.1.CONSIDERAÇÕES INICIAIS ... 32
3.2.DEFINIÇÃO DO CONCEITO ... 33
3.3.DIMENSÕES BIM ... 35
3.4.VANTAGENS E DESVANTAGENS DO BIM ... 36
3.5.DESENVOLVIMENTO HISTÓRICO ... 37
3.6.INTEROPERABILIDADE ... 40
3.7.NÍVEL DE DESENVOLVIMENTO (LOD) E DE DETALHE ... 41
3.8.APLICAÇÃO A INFRAESTRUTURAS FERROVIÁRIAS ... 45
4. AVALIAÇÃO ESTRUTURAL DA VIA-FÉRREA DURANTE A CONSTRUÇÃO ... 48
4.1.CONSIDERAÇÕES INICIAIS ... 48
4.2.MÉTODOS DE CARACTERIZAÇÃO ESTRUTURAL PARA CONTROLO DA QUALIDADE 49 4.3.CASO DE ESTUDO DE MODELAÇÃO ESTRUTURAL DURANTE A CONSTRUÇÃO ... 57
4.4.INTERPRETAÇÃO EMPÍRICA DOS ENSAIOS E APRESENTAÇÃO DE RESULTADOS ... 66
4.5.PROPOSTA DE APLICAÇÃO DO DEFLETÓMETRO DE IMPACTO PARA CONTROLO DA QUALIDADE DURANTE A CONSTRUÇÃO ... 72
4.6.CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 74
5. APLICAÇÃO DO BIM À CONSTRUÇÃO DA VARIANTE DE ALCÁCER DO SAL .... 77
5.1.CONSIDERAÇÕES INICIAIS ... 77
5.2.DESCRIÇÃO DO CASO DE ESTUDO ... 77
5.3.ENSAIOS REALIZADOS... 82
5.4.PARÂMETROS A CONSIDERAR NA MODELAÇÃO BIM ... 86
5.5.MODELAÇÃO BIM ... 92
5.6.APRESENTAÇÃO DOS RESULTADOS ... 108
5.7.METODOLOGIA PARA IMPLEMENTAÇÃO DO BIM NAS INFRAESTRUTURAS FERROVIÁRIAS ... 116
5.8.CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 119
6. CONCLUSÕES E DESENVOLVIMENTOS FUTUROS ... 121
6.1.PRINCIPAIS CONCLUSÕES ... 121
6.2.DESENVOLVIMENTOS FUTUROS ... 124
REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA ... 127
ANEXOS ... 139
ANEXOI–MODELOS DE RESPOSTA DA VIA-FÉRREA ... 141
ANEXOII–OUTROS ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS ... 147
ANEXOIII – BISAR ... 153
ANEXOIV–DATATHIEF III ... 159
ANEXOV–MODELAÇÃO REVIT® ... 181
Índice de Figuras
FIGURA 1.1-METODOLOGIA DE TRABALHO APLICADA. ... 4
FIGURA 2.1-ESQUEMA ESTRUTURAL DA VIA FERROVIÁRIA BALASTRADA CLÁSSICA: SECÇÃO TRANSVERSAL ... 6
FIGURA 2.2-DEFINIÇÃO DA ESPESSURA TOTAL DAS CAMADAS DE BALASTRO E DE SUB-BALASTRO ... 13
FIGURA 2.3-TENSÕES DEVIDO ÀS FORÇAS VERTICAIS NOS ELEMENTOS DA VIA ... 18
FIGURA 2.4-ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS ABORDADOS. ... 20
FIGURA 2.5-PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO ECP ... 22
FIGURA 2.6-ENSAIO DE CARGA COM PLACA. ... 22
FIGURA 2.9-ENSAIO DE CARGA COM DEFLETÓMETRO DE IMPACTO ... 23
FIGURA 2.10-PRINCÍPIO DE ENSAIO COM O DEFLETÓMETRO DE IMPACTO ... 24
FIGURA 2.11-GRÁFICO TÍPICO OBTIDO COM FWD ... 25
FIGURA 2.12-BACIAS DE DEFLEXÃO COM DIMINUIÇÃO DA DEFORMAÇÃO REGISTADAS ... 26
FIGURA 2.13-CONSTITUIÇÃO DE UM DEFLETÓMETRO DE IMPACTO PORTÁTIL ... 28
FIGURA 2.14-SEQUÊNCIA TEMPORAL DA FORÇA DE IMPACTO EXERCIDA PELO DIP E ASSENTAMENTO GERADO ... 28
FIGURA 2.15-PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO MCSC ... 29
FIGURA 3.1-PARTILHA DE INFORMAÇÃO... 33
FIGURA 3.2-CURVA DE MACLEAMY ... 34
FIGURA 3.3-DIFERENTES DIMENSÕES EXISTENTES NO BIM ... 35
FIGURA 3.4-ESTRUTURA DA BASE DE DADOS DO MODELO IFC, VERSÃO 2X4 ... 41
FIGURA 3.5-INFORMAÇÃO PRESENTE NOS 5LOD ... 43
FIGURA 3.6-RELAÇÃO ENTRE NÍVEIS DE DESENVOLVIMENTO E AS FASES DE VIDA DO PROJETO ... 43
FIGURA 3.7-INFORMAÇÃO PRESENTE NOS NÍVEIS DE DETALHE E DE DESENVOLVIMENTO ... 44
FIGURA 3.8-RELAÇÃO ENTRE NÍVEIS DE DESENVOLVIMENTO,DETALHE E INFORMAÇÃO. ... 45
FIGURA 4.1–INTERPRETAÇÃO DO ENSAIO DE CARGA ESTÁTICA COM PLACA SEGUNDO A NORMA AFNOR NFP94-117-1 ... 51
FIGURA 4.2–INTERPRETAÇÃO DO ENSAIO DE CARGA ESTÁTICA COM PLACA SEGUNDO A NORMA DIN18134 ... 52
FIGURA 4.3-MÓDULO DE DEFORMABILIDADE EQUIVALENTE AO NÍVEL DO TOPO DE CADA CAMADA, MEDIDO NO SEGUNDO CICLO DE CARGA,EV2 DO ENSAIO DE CARGA ESTÁTICA COM PLACA ... 52
FIGURA 4.4-INTRODUÇÃO DOS PONTOS ONDE SE PRETENDE DETERMINAR A DEFLEXÃO NO BISAR (“POSITIONS”) PARA O ENSAIO FWD. ... 60
FIGURA 4.5-ETAPAS NO PROGRAMA DE RETROANÁLISE BISAR3.0 ... 61
FIGURA 4.6-COMPARAÇÃO ENTRE A BACIA DE DEFLEXÃO MEDIDA (FWD) E CALCULADA PARA A PRIMEIRA ITERAÇÃO. ... 63
FIGURA 4.7-COMPARAÇÃO ENTRE AS BACIAS DE DEFLEXÃO CALCULADAS E A BACIA MEDIDA PARA O ENSAIO FWD. ... 64
FIGURA 4.9-RESULTADOS DO MÓDULOS DE DEFORMABILIDADE OBTIDOS NO ECP E O MÓDULO
EQUIVALENTE CALCULADO COM BASE NA DEFLEXÃO CENTRAL PARA O FWD, PARA A ESTRUTURA EM
ESTUDO, AO LONGO DOS CINCO MESES ESTUDADOS. ... 67
FIGURA 4.10-DEFLEXÃO CENTRAL OBTIDAS PARA O FWD AO LONGO DOS 29KM ESTUDADOS. ... 69
FIGURA 4.11-MÓDULO DE DEFORMABILIDADE EQUIVALENTE PARA O DIP E FWD AO LONGO DOS 8 E 29KM, RESPETIVAMENTE. ... 70
FIGURA 4.12-MÓDULO DE DEFORMABILIDADE CALCULADO COM BASE NA EQUAÇÃO 4.1 PARA DIFERENTES VALORES DE FORÇA COM BASE NAS DEFLEXÕES MEDIDAS PARA O FWD NO TOPO DA CAMADA DE SUB-BALASTRO. ... 71
FIGURA 4.13-DEFLEXÃO LIMITE NO TOPO DE CADA CAMADA: A) PARA A FORÇA DE 25KN OBTIDO NO FWD ; B) PARA A FORÇA DE 16KN OBTIDOS NO DIP. ... 72
FIGURA 4.12-DEFLEXÃO LIMITE DETERMINADAS COM BASE EM DEFLEXÕES MEDIDAS COM FWD PARA 25KN. ... 74
FIGURA 5.1-VARIANTE DE ALCÁCER : A) LOCALIZAÇÃO DA VARIANTE; B) REPRESENTAÇÃO ESQUEMÁTICA DO LAYOUT ... 78
FIGURA 5.2-REPRESENTAÇÃO ESQUEMÁTICA DA SEÇÃO TRANSVERSAL PADRÃO DA VIA NO ATERRO ... 78
FIGURA 5.3-ASPETOS DO PAVIMENTO DURANTE A CONSTRUÇÃO: A) CAMADAS DA SUBESTRUTURA; B) COMPONENTES DA SUPERESTRUTURA ... 79
FIGURA 5.4-CLASSIFICAÇÃO DA ENVOLVENTE DE DISTRIBUIÇÃO DAS DIMENSÕES DAS PARTÍCULAS (DP): A)ABGE E MATERIAL DE COBERTURA; B) SUB-BALASTRO ... 80
FIGURA 5.5-ZONA DE TRANSIÇÃO DO CASO DE ESTUDO ... 82
FIGURA 5.6-PONTOS DE LEVANTAMENTO NA APROXIMAÇÃO DA PONTE: A) VISTA DE PLANTA; B) SEÇÃO TRANSVERSAL DA VIA ... 85
FIGURA 5.7-LOCALIZAÇÃO DOS ALINHAMENTOS 1 A 3 NO ATERRO ... 86
FIGURA 5.8-RESULTADOS DO PORTANCEMÈTRE AO LONGO DO A) ALINHAMENTO 1; B) ALINHAMENTO 2 E C) ALINHAMENTO 3 ... 87
FIGURA 5.9-DESLOCAMENTOS DOS PONTOS DE LEVANTAMENTO NA CAMADA DE SUB-BALASTRO: A) PONTOS PN1 A PN7; B) PONTOS PP1 A PP7 ... 88
FIGURA 5.10-DESLOCAMENTOS DOS PONTOS DE PESQUISA NAS EXTREMIDADES DAS TRAVESSAS: A) PONTOS TN1 A TN7; B) PONTOS TP1 A TP7 ... 89
FIGURA 5.11-ESTIMATIVA DA DEFORMAÇÃO VERTICAL DO BALASTRO (NI =TNI -PNI;PI =TPI -PPI) PARA 36 MESES ... 90
FIGURA 5.12-METODOLOGIA SEGUIDA PARA CRIAR O MODELO BIM. ... 93
FIGURA 5.13-EXEMPLO DO TIPO DE VIA ESCOLHIDO PARA A CUNHA MAC. ... 96
FIGURA 5.14-REPRESENTAÇÃO 2D DAS CAMADAS DO PAVIMENTO EM CORTE LONGITUDINAL. ... 96
FIGURA 5.15-LISTA DE MATERIAIS DEFINIDOS. ... 97
FIGURA 5.16-REPRESENTAÇÃO DO MODELO 3D. ... 98
FIGURA 5.17-PORMENOR DA ZONA DE TRANSIÇÃO. ... 98
FIGURA 5.18-VISTA EM PLANTA. ... 99
FIGURA 5.19-CORTE LONGITUDINAL (A-A’) DO MODELO 3D... 99
FIGURA 5.20-CORTE TRANSVERSAL (B-B’) DO MODELO 3D. ... 99
MODELO; D) PREENCHIMENTO DO VOLUME DO MODELO; E) MODELO FINAL F) VISTA OESTE; G) VISTA ESTE... 102
FIGURA 5.22-DEFINIÇÃO DE NÍVEIS AUXILIARES. ... 103
FIGURA 5.23-DEFINIÇÃO E DESCRIÇÃO DAS VISTAS CORRESPONDENTES ÀS ÁREAS QUE SERÃO DEFINIDAS.
... 104
FIGURA 5.24-CRIAÇÃO DE AREA PLANS COM BASE NOS ENSAIOS ANALISADOS. ... 104
FIGURA 5.25-PROPRIEDADES COLOR SCHEMES-EXEMPLO DA ESCALA ADOTADA PARA O ENSAIO DO PORTANCEMÈTRE REALIZADO NO ALINHAMENTO 1. ... 105
FIGURA 5.26-LARGURAS CONSIDERADA PARA: A)LTTNI E TPI –13/24/36 MESES E DEFORMAÇÃO DO
BALASTRO –13/24/36 MESES; B)LTPNI E PPI –13/24/36 MESES; C)PORTANCEMÈTRE ... 106
FIGURA 5.27-BARRA DE PROPRIEDADES. ... 106
FIGURA 5.28-ALTERAÇÃO GEOMÉTRICA DO MODELO, ATRAVÉS DA INTRODUÇÃO DO ASSENTAMENTO NO BALASTRO ... 107
FIGURA 5.29-VARIAÇÃO DA RIGIDEZ DA VIA ... 108
FIGURA 5.30-GAMA DE CORES DO ENSAIO PORTANCEMÈTRE PARA O: A) ALINHAMENTO 1; B)
ALINHAMENTO 2 E C) ALINHAMENTO 3... 110
FIGURA 5.31-LEVANTAMENTO TOPOGRÁFICO AO NÍVEL DA CAMADA DE SUB-BALASTRO: A)13 MESES; B)
24 MESES E C)36 MESES. ... 111
FIGURA 5.32-LEVANTAMENTO TOPOGRÁFICO NAS TRAVESSAS NOS: A)13 MESES; B)24 MESES E C)36 MESES. ... 113
FIGURA 5.33-REPRESENTAÇÃO DA DEFORMAÇÃO VERTICAL DO BALASTRO : A)13 MESES; B)24 MESES E C)
36 MESES. ... 115
FIGURA 5.34-ESQUEMA PROPOSTO DE UTILIZAÇÃO DO MODELO BIM NA AVALIAÇÃO E CONTROLO DA QUALIDADE GEOMÉTRICA DAS LINHAS FERROVIÁRIAS EM SERVIÇO. ... 117
Índice de Tabelas
TABELA 2.1-VALORES DAS CARACTERÍSTICAS QUE PERMITEM A ACEITAÇÃO SEM QUAISQUER RESTRIÇÕES
E A INIBIÇÃO DOS MATERIAIS A APLICAR NA CAMADA DE BALASTRO ... 12
TABELA 2.2-DETERMINAÇÃO DA ESPESSURA DE BALASTRO E DE SUB-BALASTRO ... 13
TABELA 2.3-CARACTERÍSTICAS MECÂNICAS DO BALASTRO ... 14
TABELA 2.4-CARACTERÍSTICAS MECÂNICAS DO SUB-BALASTRO ... 15
TABELA 2.5-CLASSE DA CAPACIDADE DE CARGA DA PLATAFORMA ... 16
TABELA 2.6-CARACTERÍSTICAS DOS SOLOS... 16
TABELA 3.1–ALGUNS PAÍSES COM NORMAS E DIRETRIZES BIM ... 39
TABELA 4.1-TABELA COM AS DIVERSAS CORRELAÇÕES ABORDADAS. ... 57
TABELA 4.2-CONSTITUIÇÃO DO PAVIMENTO NO TROÇO ENSAIADO NA VARIANTE DE ALCÁCER DO SAL ... 59
TABELA 4.3-VALORES TÍPICOS PARA MÓDULOS DE DEFORMABILIDADE UTILIZADOS EM VIAS-FÉRREAS .... 60
TABELA 4.4-VALORES CALCULADOS PELO BISAR PARA O MODELO DO PAVIMENTO CORRESPONDENTE À PRIMEIRA ITERAÇÃO PARA O ENSAIO FWD. ... 62
TABELA 4.5-MÓDULOS DE DEFORMABILIDADE PARA CADA ITERAÇÃO PARA O FWD. ... 64
TABELA 4.6-MÓDULOS DE DEFORMABILIDADE PARA A VARIANTE ALCÁCER DO SAL OBTIDOS PELO BISAR3.0. PARA O ENSAIO FWD. ... 65
TABELA 4.7-DEFLEXÃO LIMITE NO TOPO DE CADA CAMADA PARA DIFERENTES VALORES DE FORÇA DETERMINADOS NUMERICAMENTE. ... 71
TABELA 5.1-ALGUNS DOS REQUISITOS MÍNIMOS DE PROJETO RELATIVOS ÀS CAMADAS ESTRUTURAIS DA PLATAFORMA... 80
TABELA 5.2-ALGUNS DOS REQUISITOS E VALORES OBTIDOS NOS MATERIAIS APLICADOS NO SUB-BALASTRO E NA CAMADA DE COROAMENTO ... 81
TABELA 5.3-RESUMO DOS REQUISITOS E RESULTADOS DO CONTROLE DE COMPACTAÇÃO ... 83
TABELA 5.4-INTERVALOS CONSIDERADOS NO ENSAIO PORTANCEMÈTRE PARA O: A) ALINHAMENTO 1; B) ALINHAMENTO 2 E C) ALINHAMENTO 3... 91
Abreviaturas e Simbologia utilizada
Abreviaturas
AASHO Associação Americana de Autoridades Rodoviárias do Estado (American Association of State Highway Officials)
AASHTO Associação Americana de Autoridades Rodoviárias e de Transporte do Estado (American Association of State Highway and Transportation Offi-cials)
ABGE Agregado Britado de Granulometria Extensa AECO Arquitetura, Engenharia, Construção e Operação
AIA Instituto Americano de Arquitetos (American Institute of Architects) ASCE Instituto Americano de Engenheiros Civis (American Society of Civil
En-gineers)
ASTM American Society for Testing and Materials AVAC Aquecimento, Ventilação e Ar Condicionado
BDS Sistema de Descrição da Construção (Building Description System)
BIM Building Information Modelling
BISAR Bitumen Stress Analysis in Road BT1 Blocos Técnicos do Tipo 1
CAD Concepção assistida por computador (Computer Aided/Assisted Design)
CBR Californian Bearing Ratio
CEN Comité de Normalização Europeu
CETE Centre d’Études Techniques de l’Équipement
COBIM National Common BIM requirements DIP Defletómetro de Impacto Portátil
ECP Ensaio de Carga Estática com Placa EN Norma Europeia
(
European Standard) EUA Estados Unidos da AméricaFCT-UNL Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa FWD Defletómetro de Impacto (Falling Weight Deflectometer)
GSA Administração de Serviços Gerais (General Service Administration)
IFC Industry Foundation Classes
IPD Entrega Integrada de Projetos (Integrated Project Delivery)
ISO International Standard Organization
ITED Infraestruturas de Telecomunicações em Edifícios RP Radar de Prospeção (Ground Penetrating Radar)
HFWD Defletómetro de Impacto Pesado (Heavy Falling Weight Deflectometer) JAE Junta Autónoma de Estradas
LA Los Angeles
LCPC Laboratório Central de Pontes e Estradas (Laboratoire Central des Ponts et Chaussées)
LNEC Laboratório Nacional de Engenharia Civil
LOD Nível de Desenvolvimento (Level of Development) LT Levantamento Topográfico
MAC Mistura de Cimento com 5% de teor de ligante MCSC Medidor de Capacidade de Suporte em Contínuo
MDE Micro-Deval
MEF Método dos Elementos Finitos
MEP Mecânica, Elétrica e Tubagens (Mechanical, Electrical, and Plumbing) NCHRP National Cooperative Highway Research Program
NDT Ensaios Não Destrutivos
NEG Núcleo de Economia, Gestão e Tecnologia da Construção NP EN Norma Europeia versão Portuguesa
OA Obra de Arte
PI Passagens Inferiores
Pi Classes da a plataforma de fundação em função da capacidade resistente requerida
PIA Passagem Inferior Agrícola PF Passagem de Fauna
PH Passagem Hidráulica Pk Ponto quilométrico PS Passagem Superior
PSD Distribuição do tamanho de partícula (Particle Size Distribution) P2I Plano de Investigação e Inovação
QSi Classificação da qualidade do solo de fundação Rc Resistência à Compressão
RDD Deflectômetro Dinâmico Rolante (Rolling Dynamic Deflectometer) REFER Rede Ferroviária Nacional, E.P.
RIV Renovação integral de via
Rit Resistência à Tração indireta mínima RMSE Root Mean Square Error
SHELL Shell International Petroleum Company Limited
SHWD Defletómetro de Impacto Super Pesado (Super Heavy Weight Deflectome-ter)
Skp Formato do ficheiro SketchUp
SWM Métodos de Onda de Superfície (Surface Wave Methods)
t Tonelada
UIC União Internacional dos Caminhos-de-Ferro (Union Internationale des Chemins de Fer)
UK Reino Unido (United Kingdom) 2D Duas Dimensões
S Área da bacia de deflexão
a Espessura
a1 e a2 Coeficientes determinados a partir do ajuste de um polinómio de segundo grau aos pontos correspondentes ao segundo ciclo de carregamento
CV Coeficientes de variação ν Coeficiente de Poisson
Cr Compactação relativa dos materiais dci Deflexão calculada no geofone i
K Coeficiente que assumiu valores de 1,1 e 1,2 nos ensaios realizados sobre uma camada de sub-balastro e sobre uma camada de leito da via, respeti-vamente
D1 a D9 Deflexão medida no ensaio de carga com o FWD a 0,00m, 0,30m, 0,45m, 0,60m, 0,90m, 1,20m, 1,50m, 1,80m e 2,10m do centro da placa de carga, respetivamente
dmi Deflexão medida no geofone i Dn Deflexão normalizada
dr Deflexão registada no geofone central ρdOPM Densidade seca máxima
z2 Deslocamento da placa φ Diâmetro da placa
b Distância do sensor ao centro (mm) A Fator de rigidez da placa de carga
D Função de deflexão máxima do tipo exponencial 10-2 mm
Dc Grau mínimo de Compactação E Módulo de rigidez
E0 Módulo de deformabilidade da camada superficial
EDIP(300) Módulo de deformabilidade equivalente obtido com o DIP (placa φ = 300mm)
EV1 Módulo de deformabilidade medido no primeiro ciclo de carga EV2 Módulo de deformabilidade medido no segundo ciclo de carga EEV1 Módulo dinâmico
K Módulo de reação
kf Módulo de reação do solo de fundação compactado
k
ECP(300) Módulo de reação obtido com o ECP (φ = 300mm)k
DIP(90) Módulo de reação obtido com o DIP (placa φ = 90mm) corrigido pelo fator 0,09/0,30 para ter em conta o diâmetro da placaEr Módulo resiliente
P1 Plataformas de qualidade fraca P2 Plataformas de qualidade média P3 Plataformas de qualidade boa
P Pressão de contacto p Pressão sob a placa r Raio da placa QS1 Solos medíocres
QS2 Solos de qualidade média QS3 Solos de boa qualidade
n Número total de geofones utilizados
σ0máx Tensão sob a placa atingida no primeiro ciclo de carregamento
w Teor de água
1.
Introdução
1.1. Enquadramento e Âmbito
A indústria da Arquitetura, Engenharia, Construção e Operação (AECO) tem procurado novos métodos de trabalho de forma a incrementar o nível da organização das diferentes tarefas, apoiados no uso de uma vasta gama de softwares. No entanto, a maioria das ferramentas dispo-nibilizadas apresenta duas grandes limitações que o BIM procura ultrapassar: a capacidade de interoperabilidade entre sistemas e uma adequada estrutura dos dados requeridos nos diferentes processos, nomeadamente, uma sequência cronológica da geração de dados e um fácil e meto-dológico acesso à informação do empreendimento. Neste contexto, o BIM tira proveito de uma modelação parametrizada de objetos, onde os elementos construtivos são organizados de forma a reproduzir os objetos reais num ambiente virtual e manipulável. Atualmente o BIM tem vindo a ganhar cada vez mais força e espaço no mercado internacional, contribuindo para que o setor AECO se torne mais competitivo e eficaz.
No âmbito das infraestruturas ferroviárias é fácil perceber que através desta metodologia poder-se-á ter um conhecimento rigoroso sobre o comportamento da via ao longo da sua vida útil, pois esta não dependerá exclusivamente da qualidade durante a construção da via, mas também da sua degradação sob a ação do tráfego e das intervenções realizadas na via. Com o BIM é possível realizar uma gestão da manutenção da via, isto é, seguir a evolução da degrada-ção através da implementadegrada-ção do levantamento sistemático da sua condidegrada-ção no BIM, possibili-tando a tomada de medidas de manutenção e reabilitação mais adequadas e de forma atempada (Carmali et al., 2018).
A presente dissertação surge no âmbito do projeto ProBIM que se integra no Plano de In-vestigação e Inovação (P2I) do Núcleo de Economia, Gestão e Tecnologia da Construção (NEG) do Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC). A mesma integra-se na linha de investigação na área dos sistemas de informação aplicados aos modelos BIM, mais especifica-mente na utilização das metodologias BIM para a avaliação de Infraestruturas Ferroviárias.
1.2. Objetivos e Metodologia
A realização do presente trabalho é uma mais-valia no âmbito da investigação de infraes-truturas de transporte, com principal relevo para as ferrovias, possibilitando um conhecimento mais aprofundado no que diz respeito à estimativa de comportamento da via com recurso à me-todologia BIM. Para tal, são necessários definir quais os parâmetros que podem ser acompanha-dos pelo BIM ao longo do tempo, possibilitando assim a avaliação, de uma forma precoce e mais expedita, das zonas que precisam de intervenção/reabilitação. Pretende-se assim contribuir para a identificação de zonas críticas e, se possível, prever defeitos futuros, de uma forma mais eficiente relativamente ao que tem vindo a ser feito.
No decorrer do trabalho, será apresentado e analisado um caso de estudo modelado em BIM, com o propósito de aprofundar os conhecimentos relativos aos parâmetros que podem ser analisados por esta metodologia no controlo da qualidade durante a construção. O modelo BIM é constituído por uma secção de plena via e uma zona de transição e contempla as característi-cas reais que a via possui no fim da construção, contabilizando as alterações implementadas. A metodologia proposta consiste em estabelecer relações entre os resultados obtidos pela aborda-gem clássica, no domínio do tempo e frequência, e os resultados obtidos nos primeiros anos de serviço, com vista a obter informações que permitam apoiar as decisões de intervenção de ma-nutenção, ao nível da rede ferroviária, isto é, serão introduzidos no BIM os resultados dos en-saios obtidos no fim da construção, por forma a verificar se os valores dos diferentes parâmetros cumprem as tolerâncias especificadas.
Os objetivos supramencionados podem ser atingidos através da seguinte sequência:
- Definição dos ensaios necessários para medir a resistência da via no momento em que se realiza o projeto (parâmetros que caracterizam a resistência da via);
- Definição dos ensaios de controlo da qualidade de obra que deverão ser realizados du-rante e no momento após a construção da via (final da construção). Estes ensaios permitirão ve-rificar a resistência estrutural inicial;
- Modelação do trecho de infraestrutura ferroviária em Autodesk® Revit® 2018;
- Determinação dos parâmetros (reais) que avaliam a resistência da via na fase estrutural de início de utilização e que devem ser considerados na modelação;
- Introdução dos dados da medição da via no Revit® e apresentação dos resultados atra-vés de um esquema de cores;
- Verificação da inclusão dos parâmetros nos limites de tolerância.
realida-de, possibilitando assim uma melhor análise da condição da via e a adoção de medidas adequa-das de reabilitação.
1.3. Estrutura da Dissertação
O presente documento encontra-se organizado em seis capítulos. O primeiro capítulo - Introdução - procura contextualizar o uso da metodologia BIM em infraestruturas ferroviárias, apresentar a metodologia e indicar os principais objetivos do trabalho. De modo a facilitar a lei-tura do documento, encontra-se esquematizada na Figura 1.1 a forma como foi organizada esta dissertação, proporcionando uma visão geral do desenvolvimento do trabalho.
No segundo capítulo – Infraestruturas Ferroviárias – faz-se referência às diferentes so-luções de via, dando-se principal importância à via balastrada. São referidos os elementos que a constituem, as suas funções, assim como quais deverão ser os valores dos parâmetros aceitáveis para o controlo da qualidade da via. Descrevem-se também alguns dos ensaios (tradicionais e não tradicionais) para a avaliação da via-férrea durante a construção.
No terceiro capítulo – Metodologia BIM – apresenta-se primeiramente uma breve defi-nição do conceito e das dimensões que a constituem. Indicam-se as vantagens e desvantagens do BIM, seguido de uma introdução histórica do mesmo. Após esta abordagem descreve-se o seu princípio de funcionamento, nomeadamente a interoperabilidade e LODs, terminando com a sua aplicabilidade em infraestruturas ferroviárias.
No quarto capítulo – Avaliação estrutural da Via-férrea durante a construção – é reali-zada uma retroanálise através do software BISAR 3.0. Neste capítulo também são referidos quais os ensaios destinados ao controlo da qualidade durante a construção afim de, com os re-sultados obtidos in situ, executar uma proposta alternativa mais expedita ao controlo da quali-dade durante a construção da via-férrea.
No quinto capítulo – Aplicação do BIM à Construção da Variante de Alcácer do Sal – en-contra-se definido o caso de estudo de uma via-férrea em Portugal. É caracterizada a infraestru-tura em estudo, assim como os ensaios realizados, seguida de uma descrição exaustiva de como foi desenvolvida a modelação. Posteriormente apresenta-se e aplica-se ao modelo da linha em estudo uma nova abordagem de visualização dos parâmetros de medição da via, numa tentativa de tornar a análise da via mais intuitiva e simplificada, possibilitando a identificação imediata dos locais onde a via evidenciava uma degradação mais acelerada ou a outras situações críticas.
2.
Infraestruturas Ferroviárias
2.1. Considerações Iniciais
A estrutura de suporte da via foi evoluindo ao longo dos tempos tendo como pressupostos proporcionar a circulação ferroviária de uma forma segura, confortável e económica.
O desempenho das vias de caminho-de-ferro advém de uma complexa interação dos di-versos elementos e camadas do sistema, em resposta às solicitações impostas pelo material cir-culante em diferentes condições ambientais. Para que o funcionamento seja apropriado, cada componente do sistema estrutural deve cumprir rigorosamente a sua função, para que o conjunto seja estável, resiliente, evite deformações permanentes significativas ao nível dos carris e o des-gaste dos componentes. As características resilientes da via permitem que esta absorva parte da energia que lhe é transmitida, fundamentalmente por compressão da camada de balastro (Fortu-nato, 2005).
Neste capítulo apresentam-se diferentes soluções de via, faz-se referência às vias balas-tradas, às vias não balastradas ou em placa e às vias de apoio misto.
A via não balastrada tem sido implementada em vários países, como a Alemanha e o Ja-pão. As soluções via de apoio misto têm vindo a ser desenvolvidas em vários países, sendo a sua aplicação mais generalizada e bem-sucedida em Itália, nas linhas de alta velocidade. Parte do estudo relacionado com esta temática foi elaborado de forma exaustiva em livros referencia-dos neste trabalho, nomeadamente no Esveld (2001).
Após estas considerações iniciais, na secção 2.2 do presente capítulo, caracteriza-se a via balastrada apresentando-se os elementos que a constituem e respetivas funções por forma a faci-litar a compreensão da terminologia e função de cada elemento.
Seguidamente na secção 2.3, descrevem-se quais os parâmetros que deverão ser conside-rados por forma a se atingir um melhor controlo após a construção, ou seja, quais os parâmetros a considerar durante a construção da via.
estática com placa (ECP); Defletómetro de Impacto (FWD), Defletómetro de Impacto Portátil (DIP); Radar de Prospeção (GPR) e Portancemètre. É de salientar que os equipamentos de uso mais generalizado para a realização de ensaios de carga são o ECP, FWD e DIP.
Por fim, as conclusões deste capítulo são indicadas na secção 2.5.
2.2. Constituição da Via-férrea Balastrada
A via balastrada é uma solução estrutural tradicional, sendo que, ainda hoje, é uma solu-ção estrutural para novas linhas ferroviárias. Trata-se da solusolu-ção mais utilizada na Europa e também em Portugal. Na maioria dos casos este tipo de via permite alcançar e preservar as exi-gências de qualidade geométrica de forma económica, beneficiando do facto das degradações da geometria ocorridas poderem ser retificadas por equipamentos mecânicos automáticos.
Desde os primeiros estudos realizados nos anos setenta, no âmbito da introdução da alta velocidade na Europa, que se encarou a hipótese de continuar a utilizar a via balastrada de con-ceção clássica, pois esta oferece um dos melhores compromissos entre rigidez e amortecimento. Numerosos estudos experimentais validaram desde logo a hipótese dessa utilização sem pro-blemas para velocidades da ordem dos 300km/h, garantindo a resistência da via aos esforços laterais com um coeficiente de segurança aceitável (Fortunato, 2005).
A utilização deste tipo de via possibilita inúmeras vantagens tais como uma construção rápida e com custos relativamente baixos; uma fácil retificação da geometria da via (exemplo: cruzamentos, desvios, escala); operações de conservação da via simples, rápidas e a baixo custo; relativa adaptabilidade à redefinição do traçado, assim como o ajuste a eventuais assentamentos da substrutura. A presente via comparativamente à via não balastrada apresenta maior eficiência de atenuação de ruídos e vibrações, possibilidade de reutilização do balastro, como material se-cundário, por exemplo, em camadas de forma. De seguida apresentam-se os elementos que compõem a via-férrea balastrada tradicional, as suas características e o modo como funcionam.
Na Figura 2.1, apresenta-se, em corte transversal, o esquema estrutural deste tipo de via, indicando-se os elementos que a constituem:
Cada um dos componentes da via balastrada apresentados na Figura 2.1 podem ser anali-sados de forma mais aprofundada em Fortunato (2005) e Vale (2010). De seguida descrevem-se sucintamente cada um dos elementos constituintes deste tipo de via.
2.2.1. Carril
O carril é o elemento da superestrutura que apresenta maior importância, pois está em contacto direto com a superfície de rolamento do material circulante aquando da sua passagem. Tratam-se de elementos resistentes constituídos por aço. Têm a função de suportar e transferir as cargas concentradas das rodas dos comboios para as travessas; solicitações provocados pela passagem do tráfego, sem causar flexão excessiva; impor a direção das rodas dos veículos; dis-tribuir as forças resultantes do arranque e da frenagem por aderência (Esveld, 2001).
O tipo de aço, a sua rigidez de flexão, a sua regularidade geométrica, as características relacio-nadas com as juntas (ou a sua ausência) e as solicitações, sobretudo dinâmicas, a que os carris estão sujeitos podem influenciar o comportamento das travessas, do balastro e da subestrutura (Fortunato, 2005).
2.2.2. Sistema de fixação
O sistema de fixação é composto por um conjunto de elementos de ligação entre o carril e as travessas podendo ser classificados como diretos ou indiretos. São diretos quando o carril e a palmilha são fixados diretamente sobre a travessa por um único sistema de fixação. Caso exista uma fixação para ligar o carril à palmilha e uma outra na ligação palmilha-travessa, trata-se en-tão de um sistema de fixação indireto (FIB, 2006).
O sistema de fixação assegura a transmissão de forças aplicadas sobre os carris às travessas e garante que a bitola da via e a inclinação do carril se mantêm na gama exigida (Esveld, 2001; Tzanakakis, 2013). Outro aspeto é que também absorve algumas das vibrações provocadas pela passagem do material circulante. A escolha do sistema de fixação deve ser feita em função do tipo de travessa. Quando se trata de travessas de madeira utilizam-se fixações rígidas, tais como tira-fundos ou pregos, sendo colocadas apoios metálicos (chapins) entre a travessa e o carril de modo a assegurar as tensões admissíveis e proteger a madeira contra o desgaste mecânico. Caso se trate de travessas de betão, utilizam-se fixações elásticas, sobretudo o sistema Nabla, o sis-tema Pandrol Fastclip e ainda o sissis-tema Vossloh (Fontul, 2016).
2.2.3. Palmilhas
da via. Estas, apresentam as seguintes funções: promover o apoio adequado dos carris, amorte-cer as vibrações provocadas pelas rodas, reduzir o atrito entre carril e travessa, promover o iso-lamento elétrico dos circuitos da via e ainda proteger as travessas de desgaste e de danos por impacto (Vale, 2010; Tzanakakis, 2013).
2.2.4. Travessas
As travessas são os elementos da via colocados entre os carris e o balastro e apresentam diversas funções tais como: receber as cargas dos carris e distribuí-las para a camada de balastro com níveis de tensão aceitáveis; suportar o sistema de fixação dos carris; impedir movimentos verticais, laterais e longitudinais dos carris; manter o correto alinhamento dos carris e a dimen-são da bitola (Fortunato, 2005; Vale, 2010; Tzanakakis, 2013).
Assim, as travessas têm de ser dotadas de uma adequada resistência mecânica, quer na direção vertical quer na horizontal. O desempenho das travessas é condicionado pelas características da camada de balastro subjacente.
Os parâmetros mais importantes de uma travessa são as suas dimensões, que influenciam a área de apoio disponível para reduzir as tensões transmitidas à camada de balastro, e o seu peso, que assegura uma maior estabilidade longitudinal e transversal da via (Pita, 2006).
Em geral, as travessas podem ser de madeira, metálicas ou de betão armado pré-esforçado.
Do ponto de vista da dinâmica vertical, a travessa de madeira confere à via uma melhor resiliên-cia comparativamente à travessa de betão. As travessas de madeiras são particularmente ade-quadas para vias assentes sobre plataformas de má qualidade pois a baixa rigidez global da via proporcionada pelas mesmas faz com que as cargas dinâmicas sejam menos gravosas (Fortuna-to, 2005). Apresentam maior flexibilidade, melhor distribuição de cargas e um peso relativa-mente reduzido permitindo maior facilidade no seu manuseamento, transporte e colocação (Pro-fillidis, 1995).
As travessas de betão conferem uma maior resistência lateral, são mais resistentes e, em princí-pio, mais duráveis, requerendo menor conservação da via, o que torna a sua utilização preferível comparativamente às travessas de madeira (Fortunato, 2005). Por outro lado, estas apresentam maior fragilidade, maiores custos de produção e conservação e maior dificuldade em manter o nivelamento em plataformas de reduzida qualidade em face das forças de inércia que se mobili-zam à passagem das cargas rolantes.
2.2.5. Camada de balastro
O balastro é o elemento que suporta os restantes componentes definidos anteriormente, nomeadamente o carril, o seu sistema de fixação e as travessas. Constitui a parte superior da substrutura conforme indicado na Figura 2.1. A camada de balastro é diferenciada por quatro zonas, sendo estas denominadas por: balastro entre travessas; prisma lateral; balastro superficial sujeito às ações mecânicas de conservação e balastro de fundo, ou seja, localizado a maior pro-fundidade (Fortunato, 2005; Vale, 2010). Habitualmente, é constituída exclusivamente por um material granular de boa qualidade como o granito (Esveld, 2001).
A espessura da camada de balastro, em geral, é estabelecida à partida e convém que seja cons-tante ao longo de toda a linha, para possibilitar, durante as operações de conservação e reabilita-ção, uma utilização sistemática dos equipamentos mecânicos. Geralmente está compreendida entre os 25 e os 30 centímetros, sob a face inferior das travessas, medida na prumada do carril da fila baixa (Esveld, 2001; Tzanakakis, 2013).
No que se refere à forma geométrica e as dimensões do material integrante desta camada, estas duas características são de uma importância fundamental para o correto desempenho deste ele-mento, particularmente no que se refere à drenagem de águas. As partículas do balastro têm funções de resistência mecânica e de permeabilidade. Estas duas funções são contraditórias pois se por um lado o balastro for bem graduado e possuir elevada compacidade oferecendo assim uma boa capacidade de carga e boa estabilidade da via, por outro lado não permitiria uma boa permeabilidade, impedindo o rápido escoamento da água além de que seria difícil realizar os trabalhos de conservação da via (Fortunato, 2005). Deverá também contribuir para a flexibilida-de e amortecimento da sua estrutura, absorver as vibrações mecânicas e os ruídos e facilitar as tarefas de manutenção da qualidade geométrica da via (Esveld, 2001; Fortunato, 2005; Vale, 2010; Infraestruturas de Portugal, 2018).
Nas vias balastradas, o balastro influencia quer a estabilidade vertical, quer as estabilidades late-ral e longitudinal da via, através do atrito entre as partículas de balastro e as superfícies de con-tacto das travessas e do embricamento entre as partículas de balastro e como tal, outra das suas funções é impedir movimentações laterais e longitudinais (Esveld, 2001; Fortunato, 2005; In-fraestruturas de Portugal, 2018).
2.2.6. Camada de sub-balastro
A camada de sub-balastro é a parte superior da substrutura e situa-se entre a camada de balastro e a fundação. Habitualmente, é constituída por um material granular de boa qualidade, como o granito que apresenta uma granulometria continua (Esveld, 2001).
Esta camada apresenta diversas funções, nomeadamente proteger a plataforma, reduzir o nível de tensão nos solos, separar o balastro da fundação mantendo constante a espessura do balastro, funcionar como elemento drenante e filtrante da plataforma evitando quer a interpenetração, quer a migração do material fino, quer o desgaste da fundação pela ação mecânica do balastro. Vulgarmente apresenta uma espessura de 15cm (Fortunato, 2005; Vale, 2010; Tzanakakis, 2013). Ressalta-se que a utilização desta camada estrutural atenua os custos económicos de uma determinada via, pois o sub-balastro é menos dispendioso que o balastro, e a sua utilização re-duz a espessura necessária deste último componente, rere-duzindo inevitavelmente os custos finais de construção de uma linha ferroviária (Fortunato, 2005).
2.2.7. Plataforma de fundação
A fundação é a base sobre a qual são construídas as camadas de apoio. É frequentemen-te designada por plataforma das frequentemen-terraplenagens, ou apenas por plataforma. Pode ser executada em escavação ou em aterro e normalmente distinguem-se duas zonas de fundação, sendo estas a fundação e uma camada superficial designada por leito da via. Note-se que é sobre o leito de via que se apoiam as camadas de sub-balastro e de balastro (Vale, 2010). Esta camada garante a capacidade de carga pretendida e favorece na obtenção de uma fundação com melhor qualidade.
A plataforma deve cumprir determinadas funções, nomeadamente, servir de apoio à superstrutu-ra e às camadas de apoio de via e suportar as tensões impostas pelas cargas repetidas, sem atin-gir a rotura e sem deformações excessivas reversíveis e permanentes; manter uma posição está-vel no tempo, resistindo a ações ambientais; resistir ao atrito e ao desgaste causados pela cama-da sobrejacente, a fenómenos que tendem a causar a bombagem de finos e consequentes assen-tamentos e também constituir uma adequada superfície para colocação e compactação do sub-balastro (Fortunato, 2005; Tzanakakis, 2013).
2.3. Requisitos de projeto
O controlo da qualidade realizado durante a construção, visa avaliar a correspondência entre os parâmetros de via e os requisitos funcionais para os diversos elementos da via. Os re-quisitos a respeitar constam nas especificações das normas. Essas exigências dizem respeito aos materiais que constituem as camadas (granulométrica e as características das partículas), às ca-madas (homogeneidade, espessura, % compactação e módulo Ev2) e à geometria (cotas,
inclina-ções e regularidade) de cada camada.
2.3.1. Camada de balastro
Relativamente ao comportamento da via, a camada de balastro tem um papel fundamen-tal, tanto na estabilidade vertical como na estabilidade horizontal. O balastro resiste às forças com componente vertical pela resistência direta das partículas de balastro. Conforme referido anteriormente, as forças laterais e longitudinais são compensadas pelo atrito que se produz entre as partículas de balastro e as travessas, e pelo embricamento das partículas de balastro. O com-portamento da camada de balastro depende sobretudo das suas características mecânicas (resis-tência e deformabilidade) e hidráulicas (permeabilidade), as quais devem, tanto quanto possível, manter-se no tempo. Estas, por sua vez, dependem, essencialmente da espessura e da compaci-dade da camada e das características das partículas (forma, dureza, dimensões, etc.). O compor-tamento da camada de balastro também pode ser condicionado pelas características da superes-trutura da via, o tipo e a frequência dos trabalhos de conservação e as próprias solicitações do material circulante (Fortunato, 2005).
Para a camada de balastro a Norma Europeia NP-EN 13450 – Agregados para balastro
de via-férrea – classifica os materiais para balastro em duas categorias, com base em requisitos
geométricos e físicos das partículas (Fortunato, 2005; Vale, 2010).
A REFER distingue o balastro em duas categorias: i) Tipo I – balastros para sistemas ferroviários de alta velocidade e velocidade alta, com coeficiente de desgaste de Los Angeles inferior ou igual a 19% e Micro Deval inferior ou igual a 6%; ii) e, Tipo II – balastros para rede convencional, com coeficiente de Los Angeles inferior ou igual a 22% e Micro Deval inferior ou igual a 8,5% (Fortunato, 2005). O material para balastro deve ser um material granular, 100% britado, isento de materiais poluentes, tais como partículas orgânicas e expansivas, metal ou plástico (Fortunato, 2005). Relativamente à forma, as partículas de balastro devem apresen-tar forma poliédrica de tendência isométrica, designada por forma cúbica, faces rugosas e ares-tas vivas. A cubicidade pretendida é definida para valores máximos de índice de achatamento, de forma e comprimento.
Tabela 2.1 - Valores das características que permitem a aceitação sem quaisquer restrições e a inibição dos materiais a aplicar na camada de balastro (Fortunato, 2005).
Nota: as percentagens indicadas são do peso total
Figura 2.2 - Definição da espessura total das camadas de balastro e de sub-balastro (adaptado de UIC-719R, 2008).
Segundo as advertências expressas neste documento, a espessura do conjunto “balastro + sub-balastro” depende de vários parâmetros, como a classe da plataforma, o tipo de linha, o tipo de travessa, as restrições de construção, a carga por eixo e a velocidade de circulação.
Segundo este documento, a soma das espessuras dessas camadas é definida pela expressão
e[m] = E + a + b + c + d + f (2.1)
estando os valores de E, a, b, c, d e f indicados na Tabela 2.2.
É de notar que o aumento da espessura da camada de balastro contribui para a redução da tensão na plataforma. Contudo, esse aumento pode também conduzir a alguns problemas relaci-onados com a homogeneidade do nivelamento da via, em particular se a compacidade da cama-da varia de forma importante. De facto, a análise cama-da via ao longo do seu desenvolvimento longi-tudinal, permite concluir que o assentamento médio por unidade de comprimento, o desvio pa-drão em relação ao assentamento médio obtido em diferentes épocas e o desvio papa-drão dos de-feitos ao longo da via aumentam quando a espessura da camada de balastro aumenta (ORE, 1973).
Tabela 2.2 - Determinação da espessura de balastro e de sub-balastro (adaptado de UIC-719R, 2008).
E (m) a (m) b (m)
Plataforma Classe de linha Travessa de madeira com comprimento
igual a 2,60m
Travessa de betão com comprimento
L Classe
P1
Classe P2
Classe
P3 1 a 4 5 e 6
0,7 0,55 0,45 0 -0,10 0 (2,5 - L) = 2
c (m) d (m) f (m)
Condições de trabalho Carga nominal máxima por eixo
Espessura de geossintético, se existir Normais Difíceis < 200kN < 225kN < 250kN
No que diz respeito às características mecânicas do balastro, no caso de elas serem des-conhecidas, podem considerar-se os valores, sugeridos pela UIC-719R (2008) e indicados na Tabela 2.3.
Tabela 2.3 - Características mecânicas do balastro (UIC-719R, 2008).
2.3.2. Camada de sub-balastro
No que se refere ao sub-balastro, como referido na secção 2.2., exige-se que seja pouco deformável (módulo de deformabilidade elevado) e tenha baixa permeabilidade. Para tal, isso é possível através da utilização de um único material ou um conjunto de materiais com distintas funções. Habitualmente utilizam-se materiais de granulometria extensa, naturais bem gradua-dos, areias cascalhentas, compostas em central, materiais naturais britados ou detritos de pedrei-ras. As partículas devem ter boa resistência ao desgaste e fragmentação e a sua granulometria deve poder proporcionar funções drenantes e de separação entre o balastro e a fundação.
Não deve conter fragmentos de madeira, matéria orgânica, metais, plásticos, rochas al-teradas nem materiais, putrescíveis, combustíveis ou poluentes (Fortunato, 2005).
Relativamente às características físicas e mecânicas da camada de sub-balastro colocada em linhas novas, é normal que se exijam valores mínimos para a compactação relativa dos
ma-teriais, Cr ≥ 103% em relação ao ensaio Proctor Normal (UIC 719R, 1994) o módulo de defor-mabilidade equivalente ao nível do topo desta camada, medido no primeiro ciclo de carga, Ev1≥
70MPa (Chemins de Fer Fédéraux (CFF), 1997), ou no segundo ciclo de carga, Ev2 ≥ 120MPa
(UIC-719R, 2008) do ensaio de carga estática com placa. A camada colocada sobre a platafor-ma deve acabar lateralmente sobre uplatafor-ma valeta de superfície ou sobre um dreno sub-superficial. Uma inclinação transversal de cerca de 4% a 5% permite que uma grande percentagem da água que aflui à sua superfície seja rapidamente encaminhada para fora da via, conduzindo desta forma a resultados adequados. A resistência mecânica deve ser verificada com o ensaio de Los Angeles (LA) e com o ensaio de Micro-Deval (MDE) e/ou pela soma dos dois. No que se refere à permeabilidade, o ensaio que a caracteriza é o de permeâmetro de carga variável.
No que diz respeito às características mecânicas do sub-balastro, no caso de elas serem desconhecidas, podem adotar-se os valores, sugeridos pela UIC-719R (2008), e indicados na Tabela 2.4.
E (MPa) ν c (MPa) φ (°) γ (kN/m3)
Tabela 2.4 - Características mecânicas do sub-balastro (UIC-719R, 2008).
E (MPa) ν c (MPa) φ (°) γ (kN/m3)
120 0,3 0 35 19
Todas as características técnicas do material utilizado para o sub-balastro, relativas à granulometria, qualidades dos finos, forma, resistência mecânica e à permeabilidade podem ser consultadas no documento técnico produzido pela REFER para o sub-balastro, denominado por IT.GEO.006.
2.3.3. Plataforma de fundação
A fundação da via é composta pelos solos onde se apoia o sub-balastro e (ou) o balastro da via, e estende-se em profundidade até onde se fazem sentir de forma considerável as solicita-ções do tráfego. Embora essa profundidade possa atingir sete a oito metros abaixo da base da travessa, é normal haver uma preocupação especial com as características dos terrenos até pro-fundidades da ordem de 1 a 2m abaixo da base da travessa (Fortunato, 2005).
A plataforma da fundação corresponde à superfície entre a fundação (ou leito de funda-ção, se existir) e o sub-balastro. As características da fundação determinam o grau de ocorrência de deformações permanentes ao nível da fundação, pelo que influenciam diretamente a qualida-de e o qualida-desempenho dos elementos da superestrutura e do balastro.
A Union Internationale des Chemins de Fer entenda-se a UIC, classifica a plataforma de fundação, em função do módulo de deformabilidade/capacidade resistente requerida (Pi), nas classes P1, P2 e P3 (UIC-719R, 2008). Estas classes correspondem, respetivamente a platafor-mas de qualidade fraca, média e boa, consoante as características do solo de fundação e os ma-teriais utilizados na camada de leito (Fortunato, 2005; Alves, 2010; Vale, 2010).
Tabela 2.5 - Classe da capacidade de carga da plataforma (UIC-719R, 2008). Qualidade do
solo de fundação Classe da platafor-ma
Camada de leito
Qualidade do material Espessura (m)
QS1
P1 QS1 -
P2 QS2 0,50
P2 QS3 0,35
P3 QS3 0,50
QS2 P2 QS2 -
P3 QS3 0,35
QS3 P3 QS3 -
O dimensionamento da fundação e do leito de via, é feito em função do tipo de tráfego, da capacidade de suporte da fundação, da configuração de via (espaçamento entre travessas, largura da via, etc), das condições climáticas e hidrogeológicas, considerando-se um período de dimensionamento de 100 anos (Vale, 2010).
Relativamente às características físicas e mecânicas da camada de leito, é normal impor valores mínimos para a compacidade dos materiais e para o módulo de deformabilidade equiva-lente obtido sobre a plataforma das terraplenagens, medido no primeiro ciclo de carga, Ev1
(Chemins de Fer Fédéraux (CFF), 1997), ou no segundo ciclo de carga, Ev2 (UIC, 1994), do
ensaio de carga estática com placa. As recomendações da UIC e da CFF admitem valores míni-mos de Ev2 de 80MPa e de Ev1 de 15MPa, respetivamente, na construção de plataformas de boa
qualidade (Profillidis, 1995).
Na Tabela 2.6 apresenta-se a classificação do solo em função da sua identificação (per-centagem de finos, estado hídrico, condições hidrológicas e hidrogeológicas), dos valores típi-cos de CBR (%) e, ainda, do módulo de deformabilidade equivalente obtido no segundo ciclo de carga do ensaio de carga estática com placa (Ev2).
Tabela 2.6 - Características dos solos (ORE, 1983).
(1) φ<0,060mm
Qualidade
do solo Identificação
CBR
(%) (MPa) Ev2
QS1 Solos com mais de 15% de finosou “seco” (1), estado hídrico “médio” 3 a 6 15 a 25
QS2
Solos com 15% a 40% de finos, estado hídrico “seco” e
boas condições hidrológicas e hidrogeológicas 6 a 20 25 a 80 Solos com 5% a 15% de finos, estado hídrico “seco”
2.3.4. Solicitações da via
Para o dimensionamento estrutural da superestrutura e substrutura, nomeadamente das suas camadas de apoio e da plataforma, é fundamental ter em conta diferentes ações: forças ver-ticais, laterais, longitudinais e de torção. Estas forças advêm essencialmente das solicitações estáticas e dinâmicas do material circulante e das variações da temperatura, as quais originam a dilatação e contração dos carris. Essas ações, devido ao carácter cíclico, provocam fadiga nos diferentes elementos que constituem a via (Esveld, 2001; Fortunato, 2005).
Os esforços resultantes das diferentes solicitações dependem de inúmeros fatores tais co-mo as características do traçado da via, as características do material circulante, a velocidade de circulação e o estado de conservação dos elementos do sistema. As rodas, os carris e as traves-sas são constituídos por materiais cujo comportamento se pode considerar elástico. Relativa-mente ao balastro e os materiais das camadas subjacentes têm, habitualRelativa-mente, um comporta-mento elasto-visco-plástico.
Figura 2.3 - Tensões devido às forças verticais nos elementos da via (Fortunato, 2005).
A força vertical transmitida pela roda apresenta uma componente estática devido ao peso do veículo e uma componente dinâmica. As cargas dinâmicas podem ser divididas, em função da respetiva frequência de vibração das cargas, em três grupos (Fortunato, 2005):
i) cargas com frequência entre os 0,5Hz e os 15Hz, produzidas por defeitos de elevado comprimento de onda, associadas ao movimento das massas suspensas e que dependem principalmente das características do material circulante, em particular da suspensão do veículo;
ii) cargas com frequências entre os 20Hz e os 100Hz, causadas por defeitos com compri-mento de onda mais pequeno, associadas ao movicompri-mento das massas não suspensas (ro-das e carris), que dependem sobretudo (ro-das características da via (regularidade e rigidez) e das massas não suspensas;
iii) cargas com frequência entre os 100Hz e os 2000Hz, que correspondem a defeitos da superfície do carril, sendo que nestes casos, o carril atua como um elemento de dissipa-ção de energia.
Salienta-se que no Anexo I são expostos de forma sucinta os diferentes modelos de compor-tamento estrutural utilizados para a análise estrutural e (os critérios de) dimensionamento de infraestruturas ferroviárias.
2.4. Ensaios para avaliação da via-férrea durante a construção
As infraestruturas ferroviárias são obras de grande desenvolvimento linear e, portanto, para a caracterização do seu comportamento estrutural, um dos passos fundamentais consiste na realização de um estudo de avaliação da capacidade de carga de uma infraestrutura de transpor-tes (plataformas rodoviárias, aeroportuárias e ferroviárias). Essa caracterização é tradicional-mente efetuada através da inspeção visual e da realização de ensaios de carga, conjugadas com outros ensaios.
Os ensaios de carga podem ser classificados como destrutivos ou não destrutivos (Fontul, 2004). Estes ensaios caracterizam-se pela aplicação de uma força de impulso sobre a superfície da estrutura a ensaiar e a medição da resposta da mesma em um ou vários pontos, traduzida pe-las deflexões sucedidas.
Figura 2.4 - Ensaios não destrutivos abordados.
O objetivo primordial da realização de ensaios de carga não destrutivos, no âmbito da avaliação da capacidade de carga de um pavimento, está na possibilidade de estimar os módulos de deformabilidade das camadas que o constituem, tendo como perspetiva o estabelecimento de modelos de comportamento estrutural e, assim, avaliar a capacidade de carga e respetiva vida útil do pavimento.
Nas vias férreas balastradas e durante a fase de construção, os ensaios de cargas são ge-ralmente efetuados sobre as camadas de sub-balastro e plataforma da fundação. Numa via em serviço, devido à dificuldade prática da utilização de FWD, os ensaios podem ser realizados com o DIP e são efetuados nas zonas entre as travessas, após a retirada da camada de balastro (Fortunato, 2005).
Ultimamente têm existido esforços no sentido de desenvolver métodos para realização de ensaios de carga em vias-férreas, através do desenvolvimento de equipamentos próprios ou da adaptação de equipamentos já utilizados na avaliação de pavimentos. Um exemplo, é o desen-volvimento de equipamentos sustentados no FWD para medição de deflexões a velocidade de tráfego. A nível mundial, existe um interesse crescente em poder avaliar em contínuo e de uma forma não destrutiva, a rigidez de infraestruturas de transporte.
Em suma, considera-se que os ensaios realizados in situ são uma mais-valia para o con-trolo da qualidade da construção de um pavimento, podendo-se deste modo obter resultados im-portantes na fase de obra, possibilitando assim verificar o cumprimento das exigências requeri-das pelos projetistas e realizar alterações ao projeto, se necessário.
2.4.1. Ensaio de Carga Estática com Placa
Os primeiros ensaios de carga não destrutivos a serem utilizados e que ainda hoje repre-sentam os ensaios de referência, no caso do controlo da qualidade durante a construção de infra-estruturas de transporte e também como base de comparação com os outros equipamentos de ensaio realizados in situ e não destrutivos, são os ensaios de carga com placa vulgarmente de-signados por ECP. Atualmente, estes ensaios são raramente utilizados em estudos de avaliação da capacidade de carga de pavimentos em serviço, pois a sua morosidade origina a realização de um reduzido número de ensaios, não permitindo uma caracterização global de um dado trecho de pavimento.
O ensaio de Carga Estática com Placa (ECP) tem a sua origem em meados do século XX, na década de 1940 (Fortunato, 2005; Pestana, 2008). Este ensaio permite a caracterização in situ da deformabilidade de camadas de solos e de materiais granulares para as infraestruturas ferro-viárias (Antunes e Almeida, 1996), ou seja, possibilita a obtenção de valores de módulos de de-formabilidade equivalente e os parâmetros de resistência de solos de fundação e de camadas de materiais granulares.
O equipamento é constituído por uma placa rígida, circular ou quadrada, de dimensões e graus de rigidez variadas, um sistema hidráulico para a transmissão de carga, uma célula para medição da carga aplicada, um ou mais transdutores colocados na zona central e/ou em pontos equidistantes do centro da placa de carga, e ainda uma estrutura de referência para a medição de assentamentos diferenciais, entre a zona carregada e uma zona sem influência do carregamento (Govind, 2010).
Figura 2.5 - Princípio de funcionamento do ECP (adaptado de Borges, 2001).
Este ensaio tem a particularidade de poder ser realizado à superfície ou a uma determina-da profundidetermina-dade estabelecidetermina-da e baseia-se na aplicação de ciclos de carga e descarga através determina-da placa rígida assente sobre a superfície de ensaio. O carregamento pode ser aplicado por patama-res de carga com ou sem alteração da intensidade de carga. Existem vários tipos de ensaio ECP, nomeadamente o ensaio lento, rápido, misto, cíclico, e com taxa de penetração constante (For-tunato, 2005).
Figura 2.6 - Ensaio de carga com placa.
Os procedimentos de ensaio diferem consoante se utilizem normas americanas (ASTM D1196-93 e ASTM D1195-93), alemãs (DIN 18134 (1976)) ou francesas (Mode Opératoire CT-2 (1973)) (Martins, CT-2011). Estas normas também expõem como obter os módulos de deformabi-lidade, Ev2. Deste ensaio medem-se na superfície ensaiada, no centro da carga, as deflexões
re-sultantes.
as-sentamentos da placa medidos nos dois patamares de carga permitem obter os módulos de de-formabilidade equivalente Ev1 e Ev2 respetivamente. Através do parâmetro da relação desses
diferentes módulos de deformabilidade, calcula-se a eficiência de compactação (Pestana, 2008).
2.4.2. Defletómetro de Impacto
O Defletómetro de Impacto (Falling Weight Deflectometer – FWD), é um equipamento que foi inicialmente desenvolvido em França, na década de 60 no Laboratoire Central dês Ponts et Chaussées (LCPC). A sua utilização não decorreu da forma como se esperava, por apresentar algumas dificuldades nas medições das deflexões. Mais tarde, nos anos 70, e com base na experiência francesa, a ideia foi retomada e desenvolvida na Holanda e Dinamarca, ten-do siten-do a Shell (Holanda) uma das primeiras empresas a utilizar o equipamento em estuten-dos de avaliação da capacidade de carga, e, na Dinamarca, foram construídos os primeiros modelos comerciais de FWD, como o PHONIX e o DYNATEST. Em 1969 o método foi adotado na Su-écia e, em 1976, foram realizados ensaios FWD com o modelo KUAB. Em 1987 a Foundation Mechanics Inc sediada nos E.U.A., iniciou a produção do modelo JILS-FWD. No Japão foram também desenvolvidos defletómetros de impacto pela KAMATSU. Dos vários países anterior-mente referidos, aqueles que mais apostaram no fabrico próprio foram o Japão e a Holanda. Atualmente, os modelos mais generalizados, são os produzidos pela DYNATEST, CARL BRO (antigo PHONIX) e KUAB (Antunes, 1993; Fernandes, 2011; Fontul, 2004; Govind, 2010). É atualmente, o equipamento de uso mais generalizado na Europa, América do Norte e Japão, pa-ra a medição de deflexões no âmbito do estudo da avaliação de capacidade de carga em pavi-mentos rodoviários e aeroportuários (Brough et al., 2003; Fontul, 2004; Burrow et al., 2007).
É um equipamento destinado a avaliar a capacidade estrutural de um pavimento através da medição da sua resposta a uma carga vertical de impacto. O Defletómetro de Impacto é nor-malmente montado num atrelado a um veículo e posicionado no ponto de ensaio, sendo por isso um ensaio estacionário. No entanto, devido ao modo de aplicação da carga, trata-se de um en-saio dinâmico.
